Sveobuhvatan pregled metoda rasta monokristalnog silicija

Sveobuhvatan pregled metoda rasta monokristalnog silicija

1. Pozadina razvoja monokristalnog silicija

Napredak tehnologije i rastuća potražnja za visokoučinkovitim pametnim proizvodima dodatno su učvrstili središnju poziciju industrije integriranih krugova (IC) u nacionalnom razvoju. Kao temelj IC industrije, poluvodički monokristalni silicij igra vitalnu ulogu u poticanju tehnoloških inovacija i gospodarskog rasta.

Prema podacima Međunarodnog udruženja poluvodičke industrije, globalno tržište poluvodičkih pločica doseglo je prodaju od 12,6 milijardi dolara, s isporukama koje su porasle na 14,2 milijarde četvornih inča. Štoviše, potražnja za silicijskim pločicama i dalje stalno raste.

Međutim, globalna industrija silicijskih pločica je visoko koncentrirana, s pet najvećih dobavljača koji dominiraju s preko 85% tržišnog udjela, kao što je prikazano u nastavku:

• Shin-Etsu Chemical (Japan)

• SUMCO (Japan)

• Globalni vafli

• Siltronic (Njemačka)

• SK Siltron (Južna Koreja)

Ovaj oligopol rezultira velikom ovisnošću Kine o uvozu monokristalnih silicijskih pločica, što je postalo jedno od ključnih uskih grla koja ograničavaju razvoj industrije integriranih krugova u zemlji.

Kako bi se prevladali trenutni izazovi u sektoru proizvodnje poluvodičkih silicijskih monokristala, ulaganje u istraživanje i razvoj te jačanje domaćih proizvodnih kapaciteta neizbježan je izbor.

2. Pregled monokristalnog silicijevog materijala

Monokristalni silicij je temelj industrije integriranih krugova. Do danas se preko 90% integriranih krugova i elektroničkih uređaja izrađuje korištenjem monokristalnog silicija kao primarnog materijala. Široko rasprostranjena potražnja za monokristalnim silicijem i njegove raznolike industrijske primjene mogu se pripisati nekoliko čimbenika:

1. Sigurnost i ekološka prihvatljivostSilicij je obilno prisutan u Zemljinoj kori, netoksičan je i ekološki prihvatljiv.

2. Električna izolacijaSilicij prirodno pokazuje svojstva električne izolacije, a nakon toplinske obrade stvara zaštitni sloj silicijevog dioksida koji učinkovito sprječava gubitak električnog naboja.

3. Tehnologija zrelog rastaDuga povijest tehnološkog razvoja procesa rasta silicija učinila ga je daleko sofisticiranijim od ostalih poluvodičkih materijala.

Ovi čimbenici zajedno drže monokristalni silicij na čelu industrije, čineći ga nezamjenjivim drugim materijalima.

Što se tiče kristalne strukture, monokristalni silicij je materijal napravljen od atoma silicija raspoređenih u periodičnoj rešetki, tvoreći kontinuiranu strukturu. To je osnova industrije proizvodnje čipova.

Sljedeći dijagram prikazuje cijeli postupak pripreme monokristalnog silicija:

Pregled procesa:
Monokristalni silicij dobiva se iz silicijeve rude kroz niz koraka rafiniranja. Prvo se dobiva polikristalni silicij, koji se zatim u peći za rast kristala uzgaja u monokristalni silicijev ingot. Nakon toga se reže, polira i obrađuje u silicijske pločice pogodne za proizvodnju čipova.

Silicijske pločice se obično dijele u dvije kategorije:fotonaponskog razredaipoluvodičke kvaliteteOve dvije vrste se uglavnom razlikuju po svojoj strukturi, čistoći i kvaliteti površine.

• Poluvodičke pločiceimaju iznimno visoku čistoću do 99,999999999% i strogo se zahtijeva da budu monokristalni.

• Reznice fotonaponske kvalitetemanje su čisti, s razinom čistoće u rasponu od 99,99% do 99,9999%, i nemaju tako stroge zahtjeve za kvalitetu kristala.

Osim toga, pločice poluvodičke kvalitete zahtijevaju veću glatkoću i čistoću površine od pločica fotonaponske kvalitete. Viši standardi za poluvodičke pločice povećavaju i složenost njihove pripreme i njihovu naknadnu vrijednost u primjenama.

Sljedeći grafikon prikazuje evoluciju specifikacija poluvodičkih pločica, koje su se povećale od ranih pločica od 4 inča (100 mm) i 6 inča (150 mm) do trenutnih pločica od 8 inča (200 mm) i 12 inča (300 mm).

U stvarnoj pripremi silicijevog monokristala, veličina pločice varira ovisno o vrsti primjene i troškovima. Na primjer, memorijski čipovi obično koriste pločice od 12 inča, dok uređaji za napajanje često koriste pločice od 8 inča.

Ukratko, evolucija veličine pločice rezultat je i Mooreovog zakona i ekonomskih čimbenika. Veća veličina pločice omogućuje rast veće iskoristive površine silicija pod istim uvjetima obrade, smanjujući troškove proizvodnje i minimizirajući otpad s rubova pločice.

Kao ključni materijal u modernom tehnološkom razvoju, poluvodičke silicijeve pločice, kroz precizne procese poput fotolitografije i ionske implantacije, omogućuju proizvodnju raznih elektroničkih uređaja, uključujući ispravljače velike snage, tranzistore, bipolarne spojne tranzistore i sklopne uređaje. Ovi uređaji igraju ključnu ulogu u područjima kao što su umjetna inteligencija, 5G komunikacije, automobilska elektronika, Internet stvari i zrakoplovstvo, čineći temelj nacionalnog gospodarskog razvoja i tehnoloških inovacija.

3. Tehnologija rasta monokristalnog silicija

TheCzochralskijeva (CZ) metodaje učinkovit postupak za izvlačenje visokokvalitetnog monokristalnog materijala iz taline. Predložio ju je Jan Czochralski 1917. godine, a poznata je i kaoIzvlačenje kristalametoda.

Trenutno se CZ metoda široko koristi u pripremi raznih poluvodičkih materijala. Prema nepotpunim statistikama, oko 98% elektroničkih komponenti izrađeno je od monokristalnog silicija, pri čemu se 85% tih komponenti proizvodi CZ metodom.

CZ metoda je preferirana zbog izvrsne kvalitete kristala, kontrolirane veličine, brze stope rasta i visoke učinkovitosti proizvodnje. Ove karakteristike čine CZ monokristalni silicij preferiranim materijalom za zadovoljavanje visokokvalitetne potražnje velikih razmjera u elektroničkoj industriji.

Princip rasta CZ monokristalnog silicija je sljedeći:

CZ proces zahtijeva visoke temperature, vakuum i zatvorenu okolinu. Ključna oprema za ovaj proces jepeć za rast kristala, što olakšava te uvjete.

Sljedeći dijagram ilustrira strukturu peći za rast kristala.

U CZ procesu, čisti silicij se stavlja u lončić, topi, a sjemenski kristal se uvodi u rastaljeni silicij. Preciznom kontrolom parametara kao što su temperatura, brzina izvlačenja i brzina rotacije lončića, atomi ili molekule na granici sjemenskog kristala i rastaljenog silicija kontinuirano se reorganiziraju, skrućivajući se kako se sustav hladi i na kraju formirajući monokristal.

Ovom tehnikom rasta kristala proizvodi se visokokvalitetni monokristalni silicij velikog promjera sa specifičnim kristalnim orijentacijama.

Proces rasta uključuje nekoliko ključnih koraka, uključujući:

1. Rastavljanje i utovarUklanjanje kristala i temeljito čišćenje peći i komponenti od onečišćenja poput kvarca, grafita ili drugih nečistoća.

2. Vakuum i taljenjeSustav se evakuira u vakuum, nakon čega slijedi uvođenje plina argona i zagrijavanje silicijskog uloška.

3. Izvlačenje kristalaKristalna sjemenska tvar se spušta u rastaljeni silicij, a temperatura na granici se pažljivo kontrolira kako bi se osigurala pravilna kristalizacija.

4. Kontrola ramena i promjeraKako kristal raste, njegov promjer se pažljivo prati i podešava kako bi se osigurao ujednačen rast.

5. Kraj rasta i gašenje pećiNakon što se postigne željena veličina kristala, peć se isključuje i kristal se uklanja.

Detaljni koraci u ovom procesu osiguravaju stvaranje visokokvalitetnih monokristala bez defekata pogodnih za proizvodnju poluvodiča.

4. Izazovi u proizvodnji monokristalnog silicija

Jedan od glavnih izazova u proizvodnji poluvodičkih monokristala velikog promjera leži u prevladavanju tehničkih uskih grla tijekom procesa rasta, posebno u predviđanju i kontroli kristalnih defekata:

1. Nedosljedna kvaliteta monokristala i nizak prinosS povećanjem veličine silicijevih monokristala, raste i složenost okruženja za rast, što otežava kontrolu čimbenika poput toplinskih, protočnih i magnetskih polja. To komplicira zadatak postizanja konzistentne kvalitete i većih prinosa.

2. Nestabilan proces upravljanjaProces rasta poluvodičkih silicijskih monokristala vrlo je složen, s višestrukim međudjelovanjem fizičkih polja, što čini preciznost upravljanja nestabilnom i dovodi do niskog prinosa proizvoda. Trenutne strategije upravljanja uglavnom se usredotočuju na makroskopske dimenzije kristala, dok se kvaliteta još uvijek prilagođava na temelju ručnog iskustva, što otežava ispunjavanje zahtjeva za mikro i nano izradu IC čipova.

Kako bi se riješili ovi izazovi, hitno je potreban razvoj metoda praćenja i predviđanja kvalitete kristala u stvarnom vremenu putem interneta, uz poboljšanja sustava upravljanja kako bi se osigurala stabilna i visokokvalitetna proizvodnja velikih monokristala za upotrebu u integriranim krugovima.